清華新聞網(wǎng)10月5日電 自問(wèn)世以來(lái)，DNA納米結(jié)構(gòu)憑借其優(yōu)異的可編碼性，已在諸如藥物遞送、環(huán)境監(jiān)測(cè)、生物計(jì)算、智能材料等眾多領(lǐng)域顯現(xiàn)出可觀(guān)的應(yīng)用前景。與此同時(shí)，在DNA納米結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的不斷探索中，人們對(duì)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性、靈活性及功能化等方面的認(rèn)識(shí)愈漸深入，相關(guān)設(shè)計(jì)理念和設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)得以不斷積累和豐富。眾多特殊的核酸結(jié)構(gòu)也開(kāi)始被應(yīng)用于納米元件的設(shè)計(jì)中，如三螺旋和四聯(lián)體等。這些非常規(guī)的核酸結(jié)構(gòu)具有著與雙螺旋截然不同的理化性質(zhì)，一定程度上擴(kuò)充了核酸納米結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的工具庫(kù)。
變構(gòu)調(diào)節(jié)是自然界經(jīng)漫長(zhǎng)時(shí)間進(jìn)化出來(lái)的一種在生命活動(dòng)中非常普遍且高效的調(diào)節(jié)方式。對(duì)于許多在生命活動(dòng)中具有重要作用的酶來(lái)說(shuō)，其作用于底物的活性會(huì)受到其他配體的調(diào)節(jié)。一般來(lái)講，這些配體通過(guò)結(jié)合到酶的某個(gè)位點(diǎn)（變構(gòu)位點(diǎn)，不同于正構(gòu)位點(diǎn)）從而使酶的構(gòu)象發(fā)生變化以調(diào)節(jié)酶與其底物的結(jié)合，增強(qiáng)或抑制酶的活性。正因其調(diào)節(jié)的可控性，變構(gòu)調(diào)節(jié)已經(jīng)被應(yīng)用于核酸納米設(shè)計(jì)中以實(shí)現(xiàn)底物的裝配、釋放以及動(dòng)力學(xué)控制等目的。然而迄今為止，從調(diào)控機(jī)理而言，這些人工設(shè)計(jì)的核酸變構(gòu)元件的復(fù)雜程度要遠(yuǎn)遜于天然進(jìn)化出的變構(gòu)酶。究其原因，一是配體種類(lèi)有限（特定的蛋白或小分子），二是完成方式單一（DNA雙螺旋的打開(kāi)或關(guān)閉）。
在本研究中，作者設(shè)計(jì)了以三螺旋作為變構(gòu)位點(diǎn)的Z-switch結(jié)構(gòu)，三螺旋是在普通的Watson-Crick雙螺旋的基礎(chǔ)上，第三條鏈以Hoogsteen堿基配對(duì)的方式形成三股螺旋。第三條鏈（TFO）作為配體參與變構(gòu)調(diào)節(jié)。TFO與變構(gòu)位點(diǎn)的結(jié)合可以調(diào)節(jié)Z-switch結(jié)構(gòu)的活性位點(diǎn)進(jìn)而影響其自組裝活性。作者通過(guò)研究多組不同初始狀態(tài)的Z-switch結(jié)構(gòu)變構(gòu)調(diào)節(jié)前后的構(gòu)象變化，進(jìn)行系統(tǒng)的篩選和比對(duì)，得到理想的變構(gòu)模型。該結(jié)果與理論預(yù)期高度吻合，同時(shí)該結(jié)果在不同Z-switch結(jié)構(gòu)中的成功應(yīng)用也確定了其魯棒性和可推廣性。
圖1.基于三螺旋設(shè)計(jì)DNA變構(gòu)元件——Z-switch。TFO鏈作為變構(gòu)調(diào)節(jié)配體，可改變Z-switch的構(gòu)象，調(diào)控活性位點(diǎn)a*和b*，從而調(diào)控Z-switch的自組裝活性。這一模型經(jīng)驗(yàn)證不依賴(lài)于特定種類(lèi)的Z-switch，可進(jìn)一步推廣到其它種類(lèi)的Z-switch
接下來(lái)，作者應(yīng)用該變構(gòu)調(diào)節(jié)策略模仿一些天然蛋白，成功地實(shí)現(xiàn)了多種變構(gòu)調(diào)節(jié)配體的共調(diào)節(jié)模式，并且實(shí)現(xiàn)了對(duì)不同反映途徑的選擇性控制。此外，由于作者選用TFO作為變構(gòu)調(diào)節(jié)配體，利用其相對(duì)其他配體（蛋白或小分子）而言?xún)?yōu)良的可編碼性，得以實(shí)現(xiàn)更為靈活的調(diào)節(jié)方式，包括經(jīng)典布爾邏輯門(mén)等的邏輯運(yùn)算基礎(chǔ)元件以及較為復(fù)雜的運(yùn)算網(wǎng)絡(luò)。
圖2.基于三螺旋的Z-switch變構(gòu)元件在邏輯運(yùn)算中的應(yīng)用?；赥FO的序列豐度，多種TFO鏈可作用于同一Z-switch變構(gòu)元件或同一系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)相應(yīng)功能(邏輯門(mén)運(yùn)算或較為復(fù)雜的函數(shù)運(yùn)算)。
本研究拓展了變構(gòu)調(diào)節(jié)在核酸納米結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用，建立了新的調(diào)節(jié)模型，確立了篩選流程，豐富了調(diào)節(jié)機(jī)理和完成方式，對(duì)今后DNA變構(gòu)元件的研究以及應(yīng)用具有重要的意義。
該研究成果由清華大學(xué)生命學(xué)院魏迪明分子設(shè)計(jì)課題組（MADlab）完成，論文題為“基于三螺旋DNA設(shè)計(jì)納米變構(gòu)元件”（Rational design of allosteric nanodevices based on DNA triple helix），于10月4日在線(xiàn)發(fā)表于《美國(guó)化學(xué)學(xué)會(huì)志》（Journal of the American Chemical Society）。清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院博士生張?zhí)烨鐬楸疚牡牡谝蛔髡呒肮餐ㄓ嵶髡?，從?xiàng)目構(gòu)思、具體實(shí)施到最后論文撰寫(xiě)其全程基本獨(dú)立完成，另一共同通訊作者為清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院魏迪明副教授，他在項(xiàng)目立意和寫(xiě)作方面提供了協(xié)助。該研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金委、清華-北大生命科學(xué)聯(lián)合中心、清華大學(xué)結(jié)構(gòu)生物學(xué)高精尖中心等基金資助。
論文鏈接：
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.1c07824
供稿：生命學(xué)院
編輯：李華山
審核：呂婷
